Становление квантовой физики СВЕТ ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА ПРОБЛЕМЫ

Становление квантовой физики. СВЕТ. ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА. ПРОБЛЕМЫ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ. СТАНОВЛЕНИЕ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ.

Электромагнитные волны В XIX веке формируется электромагнитная картина мира, основанная на концепции электромагнитного поля. Максвелл, на основе своей теории, предсказал возможность существования электромагнитного поля в отрыве от заряда (существование ЭМ волн). Экспериментально электромагнитные волны были открыты Герцом в конце XIX века.

Шкала электромагнитных волн

Свет (ЭКМ) Свет – электромагнитная волна.

Закон прямолинейного распространения света был сформулирован Евклидом в III веке до нашей эры: свет в однородной прозрачной среде распространяется прямолинейно.

Тень – пространство, в которое не попадают лучи света от источника. Полутень – пространство в которое попадает свет от части источника света.

Принцип Ферма – постулат предписывающий лучу света двигаться из начальной точки в конечную точку по пути с минимальным временем движения. Из данного принципа следуют законы преломления и отражения света (законы геометрической оптики).

Интерференция света (опыт Юнга) Интерференция света — перераспределение интенсивности света в результате наложения нескольких когерентных (связанных) световых волн.

Дифракция света (ЭКМ) Дифракция света – огибание волной препятствия.

Принцип Гюйгенса-Френеля Каждый элемент волнового фронта можно рассматривать как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны, а результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн.

Инфракрасное излучение Открыто Гершелем в 1800 году. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50 % излучения Солнца. Инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла.

Ультрафиолетовая катастрофа В конце 19 века электрическое освещение приобретает массовый характер. Чтобы ввести стандарт для производимых тогда ламп, необходимо было понять, каким образом происходит излучение света и тепла. С точки зрения классической физики оказалось, что полная мощность любого нагретого тела должна быть бесконечной. Этот парадокс показал абсурдное расхождение теоретических данных с экспериментом. Данный парадокс получил название ультрафиолетовой катастрофы.

Формула Планка В 1900 году М. Планк сделал предположение, противоречащее классической физике: электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии. Данное предположение позволило ему вывести формулу для спектральной плотности мощности излучения абсолютно чёрного тела. Коэффициент пропорциональности в формуле впоследствии назвали постоянной Планка.

Фотоэффект - испускание электронов веществом под действием света.

Законы фотоэффекта, введенные Александром Григорьевичем Столетовым: 1. Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока. 2. Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. 3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света, при которой ещё возможен фотоэффект.

Теоретическое обоснование фотоэффекта В 1905 году Эйнштейн дал теоретическое обоснование фотоэффекта, используя предположение о корпускулярном характере светового излучения. Согласно Эйнштейну электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией (E = hν) каждый. При фотоэффекте часть излучения проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает металл.

Противоречие при рассуждении о природе света В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций (частиц - фотонов). Однако, долгое время свет считался электромагнитной волной, и опыты по дифракции и интерференции света подтверждали его волновую природу.

Корпускулярно-волновой дуализм света Идея корпускулярно-волнового дуализма заключается в том, что в зависимости от характера решаемой задачи, свет можно представить как волну или как поток частиц.

Корпускулярно-волновой дуализм В 1924 году французский физик Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что установленный ранее для фотонов корпускулярно-волновой дуализм присущ всем частицам — электронам, протонам, атомам и так далее, причём количественные соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц те же, что и для фотонов. Луи де Бройль (1892 - 1987)

Корпускулярно-волновой дуализм Гипотеза де Бройля подверглась экспериментальной проверке. Оказалось, что действительно имеет место дифракция электронов. Учитывая это, корпускулярно-волновой дуализм следует рассматривать как принцип, согласно которому вообще любой физический объект может быть описан как с использованием математического аппарата, основанного на волновых уравнениях, так и с помощью формализма, основанного на представлении об объекте как о частице или как о системе частиц.

Опыт Юнга с электронами

Опыт с пулеметом

Опыт Юнга с электронами

Принцип неопределенности В 1927 году Вернер Гейзенберг вводит принцип неопределенности. Согласно этому принципу для определенных пар наблюдаемых величин существует нижний предел произведения среднеквадратичных отклонений этих величин. Иначе говоря, чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую. Типичным примером такой пары величин являются координата и импульс (скорость).

Квантовая механика Из-за взаимодействия достаточно малых объектов с измерительными приборами и наличия соотношений неопределенностей становится невозможным использование понятия траектории для этих объектов. Это значит, что классическая механика не способна описывать все явления на уровне молекул, атомов, электронов и фотонов. Была создана новая теория, способная описывать поведение этих малых частиц – квантовая механика. Квантовая механика является статистической теорией: она оперирует не траекториями движений, а вероятностями.